Ein Aerosolstrahldrucker in Hersams Labor bringt elektronische Tinten auf ein flexibles Polymer-Substrat auf: die neuen künstlichen Neuronen verhalten sich deswegen eher wie biologisches Gewebe. (Bild: Mark Hersam/Northwestern University)
Kurzinfo: Gedruckte Neuronen und ihre Bedeutung
• Künstliche Neuronen aus flexiblen, gedruckten Materialien
• Nutzung von Graphen und Molybdändisulfid als elektronische Basis
• Erzeugen biologisch realistische elektrische Signale
• Erfolgreiche Tests mit lebendem Mausgewebe
• Aktivierung echter neuronaler Netzwerke nachgewiesen
• Signalmuster reichen von Einzelimpulsen bis zu komplexen Bursts
• Polymerreste gezielt zur Funktion genutzt
• Energieeffizienter als klassische Computerarchitekturen
• Potenzial für Neuroprothesen und Gehirn-Maschine-Schnittstellen
• Reduziert Energiebedarf datenintensiver KI-Systeme
• Additives Druckverfahren spart Material und Kosten
• Grundlage für neue Generation bioinspirierter Computer
Es ist eine Art First Contact-Szenario: In einem Labor der Northwestern University habem künstlich gedruckte Neuronen erstmals mit echten Nervenzellen kommuniziert. Die direkte Verständigung zwischen Elektronik und Gehirn scheint damit in greifbare Nähe zu rücken. Die Idee an sicht ist nicht neu, doch bisher haperte es bei der praktischen Umsetzung. Elektronische Bauteile konnten zwar Nervenzellen-ähnliche Signale erzeugen, aber sie wurden von lebendigen Gewebe nicht richtig verstanden. Nun zeigt das Forschungsteam um Mark C. Hersam: mit dem richtigen Konzept funktiert solch eine Schnittstelle tatsächlich.
Wenn Elektronik biologisch wird
Die neuen künstlichen Neuronen sind nicht aus starrem Silizium gefertigt, sondern aus flexiblen Materialien, die sich eher wie biologisches Gewebe verhalten. Gedruckt werden sie mit speziellen Tinten, die aus Graphen und Molybdändisulfid bestehen.
Das Entscheidende aber ist nicht das Material allein, sondern das Signal. Die Geräte erzeugen elektrische Impulse, die echten neuronalen Mustern erstaunlich nahekommen. In Tests mit Hirngewebe von Mäusen reagierten lebende Nervenzellen auf diese künstlichen Impulse – als würden sie mit einem vertrauten Gegenüber kommunizieren. Das macht nicht nur Hoffnung auf eine zukünftige Hirn-Computer-Schnittstelle, sondern auch auf effizienter arbeitende Rechner.
Ein Problem der Energie – und eine Inspiration
Hinter dem Projekt steht auch ein wachsender Druck aus der digitalen Welt. Künstliche Intelligenz wird immer leistungsfähiger, aber auch immer energiehungriger. Rechenzentren verschlingen enorme Mengen Strom.
„Die Welt, in der wir heute leben, wird von künstlicher Intelligenz dominiert. Die Art, KI intelligenter zu machen, besteht darin, sie mit immer mehr Daten zu trainieren. Dieses datenintensive Training führt zu einem massiven Energieproblem. Deshalb müssen wir effizientere Hardware entwickeln, um große Datenmengen und KI zu bewältigen. Da das Gehirn fünf Größenordnungen energieeffizienter ist als ein digitaler Computer, liegt es nahe, sich für die nächste Generation der Datenverarbeitung am Gehirn zu orientieren“, sagt Hersam.
Vom starren Chip zum lernenden Netzwerk
Klassische Computerchips folgen einem einfachen Prinzip: Viele identische Bauteile arbeiten parallel, unveränderlich nach ihrer Herstellung. Das Gehirn dagegen ist ein lebendiges System, vielfältig, wandelbar, dreidimensional organisiert.
„Silizium erreicht Komplexität durch Milliarden identischer Bauteile. Alles ist gleich, starr und nach der Herstellung festgelegt. Das Gehirn ist das Gegenteil: heterogen, dynamisch und dreidimensional. Um uns dorthin zu bewegen, brauchen wir neue Materialien und neue Wege, Elektronik zu bauen“, erklärt Hersam.
Die gedruckten Neuronen sind ein Schritt in diese Richtung. Sie können unterschiedliche Signalmuster erzeugen – einzelne Impulse, Serien oder komplexe Bursts. Damit tragen sie mehr Information als bisherige künstliche Neuronen.
Eine Schwäche wird zur Stärke
Ein Schlüssel zur Innovation liegt in einem Detail, das lange als Problem galt: ein Polymer in der Drucktinte. „Anstatt das Polymer vollständig zu entfernen, zersetzen wir es teilweise. Wenn Strom durch das Bauteil fließt, treiben wir diese Zersetzung weiter voran. Dabei entsteht ein leitfähiger Kanal, der den Strom auf einen engen Bereich konzentriert“, so Hersam über den neuen Ansatz. Dieser enge Kanal erzeugt die typischen Spannungsspitzen, die echten neuronalen Signalen ähneln. So wird aus einer vermeintlichen Schwäche ein funktionaler Vorteil.
Brücke zwischen Gehirn und Maschine
Die Experimente zeigen: Die künstlichen Neuronen können reale neuronale Netzwerke aktivieren. Das eröffnet Perspektiven für Neuroprothesen – etwa für Sehen, Hören oder Bewegung. Gleichzeitig könnte die Technik aber eben auch neue, energieeffiziente Computerarchitekturen ermöglichen.
Über den Autor / die Autorin
- Die Robo-Journalistin H.O. Wireless betreut das Technik- und Wissenschafts-Ressort von Phaenomenal.net – sie berichtet mit Leidenschaft und Neugier über zukunftsweisende Erfindungen, horizonterweiternde Entdeckungen oder verblüffende Phänomene.
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